Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

トライボロジー / 超潤滑 / ソフトマター / 生体高分子 / 生体関節

導入した回転式レオメータをベースとした摩擦試験機を用い，滑り速度に依存したハイドロゲル軟骨モデルの動的摩擦挙動を計測し，潤滑液中に添加した生体高分子成分の影響を評価した．その結果，最大摩擦係数を例とすると，タンパク質が摩擦係数を大きく上昇させるのに対し，脂質，ヒアルロン酸は摩擦係数を低下させ，両者を混合することで摩擦が最小化することが示された．また滑り速度と摩擦係数の関係を表す曲線の形状は，変曲点を示す特性速度，変曲点間の傾きなど，いくつかのパラメータにより規定されることを見いだした．実験結果からこれらのパラメータを抽出し，生体高分子成分による個々のパラメータへの影響を整理することで，各成分による摩擦増減メカニズムを特定する研究の方向性が得られた．また往復動摩擦試験機によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価では，タンパク質による摩擦上昇が，十分な流体潤滑膜の形成により抑制されることが示唆された．
生きた軟骨細胞を内包するアガロース軟骨モデルについては，培養中の軟骨モデルに周期的な圧縮・せん断変形を加え，細胞外基質産生を促進するための力学負荷培養システムを構築した．また培養後の軟骨モデルの摩擦を，パラレルプレートおよび微小荷重下におけるボール・オン・ディスク摩擦試験により評価した．後者の結果について，軟骨モデル／ガラス球間に生じるせん断応力とゾンマーフェルト数の関係を擬似ストライベック線図として整理し，細胞が産生しモデル内に蓄積された細胞外基質成分が，接触面間のせん断応力を減少させるだけでなく，弾性流体潤滑膜の形成を促進することを示した．
またハイドロゲル軟骨モデルの摩擦挙動に対する固液二相潤滑の寄与を評価するため，汎用有限要素解析ソフトABAQUSに流体解析用ユーザーサブルーチンを組み合わせた，固液二相有限要素解析システムを構築し，滑り速度の影響に関する解析を開始した．

細胞モデル / 界面張力 / 細胞接着 / 細胞組織モデル / 自己組織化 / ソフトマター / 多細胞モデル / ベシクル / 生体高分子 / 相分離 / 生物物理 / 膜界面

生物を形作る細胞は、機能に適した形態と内部構造を備えている。我々は、この細胞形状と構造の制御機構を明らかにするために、細胞組織における細胞の空間配置と細胞間接着力に着目し、それらの相関関係を、複数の細胞サイズ液滴からなる細胞組織モデルを用いて調べた。細胞の空間配置が関与しない二細胞モデルでは、細胞間接着力が細胞表面の界面張力と、細胞膜と細胞内の高分子との相互作用によって決定されることが示された。一方、多細胞モデルでは、細胞の空間配置と接着力が、細胞内に含まれる高分子の構造形成を介して互いに影響し合うことが分かった。この結果は、細胞組織の形と構造の制御原理が、共依存関係にあることを示唆する。

非平衡物理学 / モデル生体膜 / 生物物理学 / ソフトマター / ベシクル / 粘弾性 / 生体高分子

細胞は、絶えず外界と膜を介した物質やエネルギーのやりとりを行いながら、生命活動を維持している。それゆえ、非平衡条件下での膜系の構造と物性を理解することは、生命を物理的に理解する上で必要だといえる。近年、細胞膜の基礎となる脂質2分子膜小胞(ベシクル)に、細胞膜の持つ構造的特徴や細胞内外の環境因子をボトムアップ的に付与し、それに応じた構造や形の変化を解析することが可能となってきている。実際に我々は、膜タンパク質モデルとして高分子結合型脂質を添加すると細胞の脂質ラフトのようなナノドメインが安定して形成されること(Yanagisawa et al., 2012 Softmatter)や、光応答性脂質を添加したベシクルに光照射すると膜組成に応じた崩壊が生じること(Diguet, et al, ら 2012 J.Am.Chem.Soc.)、蛋白質発現系をベシクルに封入すると遺伝子発現が膜によって加速されること(Kato et al, 2012 Sci.Rep.)などをこれまでに報告してきている。
こうした研究の流れを発展させて、本研究では細胞内外が異なる粘性流体で占められている点に注目し、それをベシクルで再現した上で、膜内外の粘性の違いが膜の物性や変形へ及ぼす影響を解析した。初めに、高粘性であるゼラチンとPEG (polyethylene glycol)を溶解した2成分高分子水溶液をベシクル内に封入し、内部構造形成に伴う膜変形を観察した。この系は、水溶液中では温度低下に伴ってマクロに2相分離するが(論文投稿中)、ベシクル内では膜との相互作用によって、膜変形と相分離がカップルした新規な非平衡パターンを示すことを見出した(第67回日本物理学会年次大会にて発表)。また細胞のように、膜直下を高分子ゲル、内部をゾルで覆われたパターンも見られている。以上の結果は、細胞がどのように内部構造と形を共に制御しているのか、という機構を理解する上で重要な結果であると言える。

【研究分担者】
山口哲生	東京大学	大学院農学生命科学研究科(農学部)	准教授	(Kakenデータベース)
坂井伸朗	九州工業大学	大学院工学研究院	准教授	(Kakenデータベース)
森田健敬	九州大学	工学研究院	助教	(Kakenデータベース)
中嶋和弘	東洋大学	理工学部	准教授	(Kakenデータベース)
鎗光清道	九州大学	工学研究院	准教授	(Kakenデータベース)